Черные дыры в центрах галактик08.01.2016 12:08

Астрофизик Ольга Сильченко об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах

Черные дыры — это первоначально было совершенно теоретическое понятие. Оно вышло целиком из теории, и теоретическое представление о черных дырах предполагало массы черных дыр, соизмеримые с массами массивных звезд. То есть черная дыра — это естественная конечная стадия эволюции массивной звезды: массивная звезда выгорает в центре, ее перестает распирать давление излучения, и если масса достаточно велика, если гравитация такой звезды достаточно велика, то внешние слои звезды будут падать на центр, она коллапсирует, и формируется черная дыра звездной массы.

Черная дыра — это гравитирующее тело. В принципе она может ничего не излучать. Если нет топлива, если нет аккреции на черную дыру, она может быть совершенно темной и невидимой, ничего не излучать, но гравитировать она будет всегда. Эффект гравитации — это то, что позволяет обнаруживать черные дыры, даже если они не светят.

Черные дыры в квазарах или активных ядрах светят. И там предположение о присутствии черной дыры было сделано именно потому, что излучение было уж очень мощное. Но самое интересное, что большинство черных дыр — не звездных масс, а сверхмассивных черных дыр — совсем ничего не излучают, их нашли именно по эффекту гравитации.

Опять же начало этой истории было очень грустным. Джон Корменди — очень умный, очень талантливый исследователь — всегда был немножко одиночкой. И он опубликовал статью, что в центре туманности Андромеды он измерил такое быстрое вращение звезд и такие высокие хаотические скорости движения звезд именно в самом центре туманности Андромеды, что там должна быть сосредоточена гравитирующая масса, которая на порядки больше, чем масса тех звезд, которые мы видим в центре туманности Андромеды. Он посчитал эту массу, она оказалась равна примерно 30 миллионам солнечных масс, и он сказал, что это должна быть сверхмассивная черная дыра.

В 1992 году я присутствовала на симпозиуме Международного астрономического союза в городе Генте, где Джона Корменди со всех сторон опровергали. Там была талантливая молодежь. Ганс-Вальтер Рикс сейчас директор Института Макса Планка, а тогда он был аспирантом. И вот компания молодежи во главе с Гансом-Вальтером Риксом очень сильно критиковала работы Джона Корменди, говорила, что динамические модели, с помощью которых он из своих наблюдательных данных посчитал массу центрального гравитирующего тела, примитивны, они наверняка неприложимы к реальной туманности Андромеды и что если взять более изощренную динамическую модель, то, как говорится, черная дыра рассасывается — можно обойтись без сверхмассивной черной дыры в центре туманности Андромеды. Можно придумать такие движения, такое распределение гравитационного потенциала в центре галактики, что звезды будут двигаться именно с такими наблюдательными характеристиками, но вовсе не отслеживать при этом супергравитацию сверхмассивной черной дыры.

Это был 1992 год, уже летал телескоп имени Хаббла, но у него еще не хватало пространственного разрешения. Как известно, когда запустили космический телескоп имени Хаббла, его плохо наладили, и те картинки, которые он показал поначалу, были совершенно неприличные — там разрешение было хуже, чем при наблюдениях с Земли. В 1994 году телескоп починили. Слетала служебная миссия, которая прямо на орбите сфокусировала телескоп, и с 1994 года пошли наблюдательные данные с космического телескопа имени Хаббла, которые уже показывали действительно очень высокое пространственное разрешение, примерно на порядок лучше, чем в среднем при наблюдениях с Земли.

Когда посмотрели с высоким пространственным разрешением на центр туманности Андромеды, то увидели, что Джон Корменди был прав. Подобрались ближе к центру, и там уже никакие динамические модели не могли объяснить столь быстрое движение звезд, если не предполагать наличия темной гравитирующей массы в центре туманности Андромеды. И в 1994 году было официально признано, что открыта сверхмассивная черная дыра в туманности Андромеды, которую совсем не видно, — ядро туманности Андромеды очень спокойное, там вообще нет никакой активности, там даже звездообразования нет толком, там светящееся слабо — сколько звезд светят там слабо, столько и светят, никакого лишнего излучения от активного ядра оттуда не выходит. Но там сидит сверхмассивная черная дыра с массой в 30 миллионов солнечных масс, которая гравитирует. С этого момента начались массовые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах совершенно спокойных, неактивных галактик.

Сначала посмотрели, конечно, на активные галактики. Посмотрели с помощью хаббловского космического телескопа на ядро радиогалактики М87, которая является центральной галактикой скопления Virgo — скопления галактик в Деве. Там есть газ, и хаббловский космический телескоп увидел очень быстрое вращение газа вблизи центра. Посчитали, какая нужна гравитация, чтобы газ вращался с такой дикой скоростью — 600 километров в секунду. Оказалось, 3 миллиарда солнечных масс. До сих пор черная дыра в центре галактики М87 является одной из самых массивных в ближней вселенной — 3 миллиарда солнечных масс.

Потом их начали находить практически везде. Очень быстро, к 1997–1998 годам, была сформулирована парадигма, что сверхмассивная черная дыра есть в центре любой галактики, у которой есть балдж или сфероидальная звездная подсистема. Оказалось, что масса сверхмассивной черной дыры в центре галактики коррелирует с массой сфероида. Если это эллиптическая галактика, то с массой всей галактики, если это спиральная галактика, то с массой балджа. Чем массивнее балдж, тем массивнее центральная черная дыра.

Наша Галактика — это галактика позднего типа, у нас балдж очень маленький, поэтому у нас совсем скромная черная дыра массой всего лишь 3,5–4 миллиона солнечных масс. Ядро у нас тоже спокойное, там есть радиоисточник Sagittarius A, но, кроме как в радио, ядро нашей Галактики толком не светит ни в оптических лучах, ни в рентгене — светит очень слабо. Очень долго не могли совсем поймать излучение от этой черной дыры ни в каком диапазоне, кроме радио. Но зато масса нашей черной дыры очень точно измеряется, потому что в нашей Галактике от нас до центра расстояние всего 8 килопарсек, мы видим там отдельные звезды. То есть не мы, конечно, а наши немецкие коллеги на телескопе VLT, на двух микронах, где пыль мало влияет, где мы видим сквозь толщу пыли, сквозь диск нашей Галактики самый центр и отдельные звезды в самом центре. В 1990-е годы начались систематические наблюдения просто положения звезд вокруг центра Галактики, и буквально за 10–20 лет были прослежены замкнутые орбиты индивидуальных звезд вокруг центра Галактики.

Эти орбиты, как известно, эллиптические, по Кеплеру. Наша собственная Солнечная система показывает эллиптические орбиты вокруг Солнца, поэтому мы точно знаем, что, по Кеплеру, вокруг точечной гравитирующей массы пробные тела будут вращаться по эллиптическим орбитам, эти эллиптические орбиты были прослежены и замкнуты для нескольких звезд в непосредственной близости от нашей сверхмассивной черной дыры, поэтому масса нашей сверхмассивной черной дыры измерена очень точно. Это практически единственный случай, где мы можем сказать, что это именно черная дыра. Во всех других случаях, когда галактики находятся далеко от нас, мы так близко к черной дыре подобраться не можем. Мы можем ограничить гравитирующую массу внутри какого-то радиуса — допустим, внутри 100 парсек, — мы можем сказать, что там сидит очень большая невидимая масса, которая гравитирует. Но это может быть, например, плотное скопление нейтронных звезд, мы не можем этого исключить. В размер 100 парсек мы можем запихнуть миллион или 10 миллионов нейтронных звезд, и они будут гравитировать точно так же, как одна сверхмассивная черная дыра. Поэтому, хотя все говорят о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик, на самом деле надо говорить о темных гравитирующих телах в ядрах галактик. Никто уже не заморачивается такими мелочами. Конечно, «сверхмассивная черная дыра» звучит очень красиво, поэтому все исследуют именно сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик.

Проблема состоит сейчас в том, как сформировать сверхмассивную черную дыру в центре типичной галактики. Дело в том, что, если ее формировать традиционным образом, как сначала предлагали космологи, у нас же все сливается: у нас сначала были звезды массивные, которые оставили после себя черные дыры, допустим, массой 100 масс Солнца, потом эти черные дыры сливались, сливались, сливались, становились все более массивными, и сейчас уже, когда сливаются две галактики, у них потом сливаются и их центральные черные дыры, масса в два раза, грубо говоря, увеличивается, и таким образом постепенно в центре набирается сверхмассивная черная дыра. Но этот процесс очень-очень неспешный. Мы можем сформировать черную дыру массой 4 миллиона или даже 40 миллионов солнечных масс за 14 миллиардов лет эволюции таким неспешным слиянием. Но есть же наблюдения на больших красных смещениях. Сейчас наблюдаются квазары на красном смещении больше 6, это полмиллиарда лет после Большого взрыва. А масса черной дыры в таких квазарах — многие миллиарды солнечных масс. Вообще говоря, средняя масса центральной черной дыры в галактиках слабо эволюционировала последние 12–13 миллиардов лет. Самые сверхмассивные черные дыры в центрах галактик рядом с нами несколько миллиардов солнечных масс, и на красном смещении 6 тоже несколько миллиардов солнечных масс. А вот сформировать за полмиллиарда лет такую черную дыру практически невозможно. Поэтому никто не знает, откуда же вылупились сверхмассивные черные дыры.

Конечно, экстремисты говорят: давайте все перевернем — сначала были черные дыры, а уже потом вокруг них нарастали галактики. Есть экзотический теоретический сценарий, как сформировать черную дыру еще до того, как сформировалась галактика. Но все-таки эти сценарии настолько экзотические, что не являются общепринятыми даже среди теоретиков. Они вызывают сомнения именно с точки зрения теории гравитации, с точки зрения теории газодинамики и излучения. Так что проблема сейчас стоит очень остро. Тем не менее индустрия исследования сверхмассивных черных дыр в ближних галактиках набирает обороты. Народ строит зависимости массы черной дыры от массы галактики и спорит, надо ли брать массу темного гала, в котором сидит галактика, или надо брать массу центрального звездного балджа. С теоретической точки зрения это все зависит от того, какой сценарий для роста черной дыры вы выбираете. А он еще не выбран, потому что непонятно, откуда они вообще взялись. Поэтому тут пока теоретический тупик, что не мешает народу собирать наблюдательные данные. Есть случаи, допустим, в галактике М-33, в которой нет черной дыры. Она близко к нам, мы можем подобраться близко к центру, поэтому там очень хороший верхний предел на массу сверхмассивной черной дыры. Такие случаи в теории вообще еще не предусмотрены. Так что тут наблюдательные данные собраны большие, а теория пока еще отстает.

Ольга Сильченко